海洋自升式井架抗风能力分析*

杨 静

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730300)

0 引 言

自升式井架由于其安装占地面积小、模块化程度高、拆装快速及运输方便等优点，越来越受海洋钻井平台的青睐[1]。自升式井架在设计过程中，结构分析为非常重要的一环，因此大量的钻机设计工程师对自升式井架做了结构分析。如杨建平等对海洋自升式井架起升工况做了静力学分析[2]，任永强等对东方13-2B平台的自升式井架作业工况和起升工况进行了静态分析[3]，陈勇等对海洋深井钻机的自升式井架进行了结构优化[4]。笔者发现以上分析大多着眼于井架主体珩架结构，或起升系统设计，很少有针对起升后连接井架底段与井架起升部分的节点进行单独分析的研究。2019年，渤海地区发生了一起海洋平台自升式井架被强台风刮倒的严重事故，事故井架的底段较好的存留在平台上，但井架起升部分整体脱落掉入海中。这次事故也从另一个方面提出了对自升式井架底段与井架起升部分连接节点强度研究的需求。笔者以JJ315/47-KZJ自升式井架为例，对该井架底段与二段的连接节点进行分析。得出自升式井架抗风能力薄弱环节为底段顶端导轮导轨结构的结论。为该形式井架的改进提供了依据。

1 自升式井架结构介绍

JJ315/47-KZJ井架为前开口式无绷绳自升式井架。主要由天车总成、井架主体、二层台，顶驱导轨总成、梯子及平台、起升装置及立管夹等附件组成。主体分底段、二段、三段、四段、五段、顶段。安装时先安装井架底段，然后利用底段内的起升装置，将井架后腿作为导轨，从上至下逐段对井架进行起升。起升到位后，用插板装置固定并锁紧井架。

井架二段和底段的连接点共有六个，左右对称分布。从司钻侧看，分布如图1所示(仅显示底段)。其中，节点1为滑轮导轨组合(见图2)，承载主要依靠滑轮和H型钢的翼缘挤压，因此只能提供前后方向的位移约束。节点2、3为插板装置(见图3)，可以提供全方位约束。

图1 单侧支撑点分布示意意图

图2 导轮滑轨结构示意图 图3 插板结构示意图1.底段立柱 2.导轮 3.导轨1.底段立柱 2.插板 3.二段立柱

2 计算分析

2.1 井架参数

JJ315/47-KZJ自升式井架设计钻深为5 000 m，最大静钩载3 150 kN，快绳拉力340 kN；立根合容量1 900 kN；设计操作风速为(海拔高度10 m处)：26 m/s，不可遇见风暴风速：36 m/s，可预见风暴风速：48 m/s；环境温度：-17～35 ℃；相对湿度：5%～99%。井架高度(含天车)50 m，钻台面海拔高度41.3 m。

2.2 SAFI模型

有限元分析软件SAFI PSE(Petroleum Structural Engineering)是为石油钻井结构分析进行定制化的三维有限元分析软件，该软件内嵌了API Spec 4F 4th、AISC ASD 9th等石油钻机设计规范。JJ315/47-KZJ井架主体采用H型钢，材料为Q355D[5]，为空间珩架结构，在模型中用三维线型两节点梁单元，根据AISC ASD-89设定各压杆的无支撑长度。杆件之间的螺栓法兰连接、双销子连接，在有限元模型中均采用固定连接来模拟[6-7]。井架、天车、二层台等结构均按实际尺寸一比一建模，井架上的梯笼、大钳平衡重等附件简化为质点添加到模型中相应位置，以便于在计算中准确模拟井架的实际受力情况[8]。用刚性实心矩形杆件模拟插板，两端分别与井架起升部分和井架底段固定；用刚性圆柱模拟导轮，与井架底段固定，与井架二段连接处释放扭转及垂直方向约束，设定该杆件只能受压，使其只能传递水平方向作用力，以更好的模拟导轮与导轨的相互作用。井架底段通过销子耳板组与平台连接，因此对模型底段与平台连接处施加除前后方向可转动外其余方向固定的铰接约束作为模型的边界条件。

模型按照API Spec 4F 4th规范进行加载，工况组合按表1进行[9]。

表1 各工况的设计载荷组合

表1中：TE为游动系统比重：

风载按八个方向施加到结构中[10-11]，如图4所示。

图4 风载加载方向示意图

2.3 SAFI分析结果

在表1的工况组合下，该井架主体结构中UC值最大为0.87小于1，位于井架底段右后腿根部，可预见225度风暴工况。因此，该井架主体框架结构的抗风能力是满足规范要求的[12]。

2.4 数据提取

从SAFI分析结果中，导出节点1、2、3的节点反力，其结果遵循全局坐标系(竖直向上为Y轴，X、Z轴见图4)，保留三位小数。对每个节点，分别计算其危险截面上的最大应力。以筛选出使截面应力达到最大的工况及节点反力。见表2所列。

表2 各节点最大受力

2.5 节点分析

采用SolidWorks三维建模软件对各节点进行三维实体建模分析。二段及底段材料为Q355，屈服强度355 MPa，抗拉强度大于630MPa。按API Spec 4F 4th规范，在风暴工况下，应力修正系数为1.33[13]。即屈服：465.5 MPa，抗拉：839.8 MPa。导轮及插板材料性能均优于Q355，因此不作为重点。

2.5.1 节点1

节点1为导轮导轨结构，由两导轮和导轨两部分组成。导轮的直径290 mm，导轨截面最大尺寸为340 mm左右，因此选择节点上下各1m范围做为建模区域，模型上下两端各50 mm范围做成圆柱体，用以施加载荷和约束，以有效规避加载部位的应力集中对节点应力分布的影响。建模时消除装配间隙，提高计算效率。

边界条件：首先对导轮轴心施加轴向(即X轴)位移约束轴承约束，模拟导轮可滚动不可有空间位移的实际情况。因导轮对导轨没有Y轴约束，因此对导轨上下两端施加限制Y轴位移，其他方向自由的平移约束。

载荷：按表1施加。其中，FX,FZ分别以1/2大小施加在模型上下两端的端面上，MY以1/2大小施加在模型两端圆柱面上，MZ以一对力偶的形式施加在模型上下两端的端面上。

采用四面体单元对模型划分单元格，运行求解器。得到模型应力云图如图5所示。从截面应力分布云图上可以很明显的看出，导轨与导轮接触的边沿部分有很高的应力集中现象其中最大应力为1 395 MPa，高于截面材料的拉伸极限强度，截面被破坏，节点失效。

图5 节点1分析结果 图6 节点2分析结果

结果分析：由于扭矩MY的存在，使导轨产生扭转变形，导轮和导轨的接触由线接触变为点接触，使接触点产生极大的集中应力，导轨从此处开始破坏，致使该节点失效。

2.5.2 节点2

节点2为插板销子结构，由底段立柱、二段立柱、插板销子三部分组成。插板高度为410 mm，节点截面最大尺寸为420 mm，但插板承托结构占用一定高度，因此选择节点上下各1.5 m范围作为建模区域。与节点1类似，在加载部位建立圆柱体模型，对模型进行消除装配间隙等处理。

边界条件：因插板结构能够提供全方位的约束，所以除底段立柱的上下端面施加固定约束外，不对模型施加其他约束。

载荷：按表1施加。其中，FX,FY,FZ分别以1/2大小施加在模型上下两端的端面上，MY以1/2大小施加在模型两端圆柱面上，MX,MZ以一对力偶的形式施加在模型上下两端的端面上。

采用四面体单元对模型划分单元格，运行求解器。得到模型应力云图如图6所示。

其中应力最大值为583 MPa，低于抗拉强度，位于二段立柱与插板的接触点上，往二段与插板挤压翼缘发展。贯穿挤压侧后停止，节点其余部分应力均低于屈服强度。节点虽有局部屈服现象，但节点仍有效。

结果分析：受风时，节点受力较大，但较大的接触面积减小了应力集中度；节点虽有局部屈服现象，但仍能提供有效的连接。

节点3的结构、分析结果与节点2类似，且其受力小于节点2受力，经分析，其最大应力为221 MPa，处于弹性工作范围。

3 结 论

在对井架结构分析中，节点往往会被简化为简单的固定连接或铰接，这与实际情况多有出入，存在隐患。本文以JJ315/47-KZJ自升式井架为例，使用SAFI软件对井架结构进行整体受风分析；然后使用SOLIDWORKS对井架底段与起升部分连接点的受风工况进行了三维分析。得到以下结论：

(1) JJ315/47-KZJ自升式井架抵抗风暴的薄弱环节为底段顶端导轮导轨结构。

(2) 风暴等载荷产生的扭矩为节点失效的主要诱因。

据此，有以下改进方法：①增设连接节点；②增加节点约束；例如增设夹持结构抵抗扭矩和水平载荷；③增加接触面积，控制应力集中程度。

其中：方法①需改变整体结构，设计更改较大，不经济；方法②因结构限制，无法实现；又因导轮与导轨的接触面积与接触面硬度成反比，因此可采用橡胶导轮或者增设缓冲层的方法来实现。